KR101750656B1

KR101750656B1 - Method for pattern/polarization beam division multiple access based on massive antennas, and an apparatus performing the same

Info

Publication number: KR101750656B1
Application number: KR1020160033376A
Authority: KR
Inventors: 길계태; 조동호; 이주용; 박대희; 이용훈; 오상민; 금승원
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2015-10-06
Filing date: 2016-03-21
Publication date: 2017-06-26
Also published as: US10305563B2; CN107534469A; CN107534469B; KR20170041115A; US20180205436A1

Abstract

매시브 안테나 기반의 패턴/편파 빔 분할 다중 접속 방법 및 이를 수행하는 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 패턴/편파 빔 분할 다중 접속 방법은 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들을 이용하여 안테나 어레이별로 복수의 빔섹터들을 생성하는 단계와, 상기 복수의 빔섹터들 각각에 MIMO 전송을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들 각각은 서로 다른 방사 패턴을 갖는다.A patterned / polarized beam division multiple access method based on a massive antenna and an apparatus for performing the same are disclosed. The pattern / polarization beam division multiple access method includes generating a plurality of beam sectors for each antenna array using a plurality of pattern / polarized antenna arrays, and performing MIMO transmission on each of the plurality of beam sectors Wherein each of the plurality of pattern / polarized antenna arrays has a different radiation pattern.

Description

매시브 안테나 기반의 패턴/편파 빔 분할 다중 접속 방법 및 이를 수행하는 장치{METHOD FOR PATTERN/POLARIZATION BEAM DIVISION MULTIPLE ACCESS BASED ON MASSIVE ANTENNAS, AND AN APPARATUS PERFORMING THE SAME}[0001] METHOD FOR PATTERN / POLARIZATION BEAM DIVISION MULTIPLE ACCESS BASED ON MASSIVE ANTENNAS, AND APPARATUS PERFORMING THE SAME [0002]

아래 실시예들은 매시브 안테나 기반의 패턴/편파 빔 분할 다중 접속 방법 및 이를 수행하는 장치에 관한 것이다.The following embodiments relate to a patterned / polarized beam division multiple access method based on a massive antenna and an apparatus for performing the same.

Massive MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술은 기지국 또는 중계기에서 많은 수의 안테나를 사용하는 무선 전송 기술로서 동일한 빔포밍을 통해 UE(User Equipment) 신호들 간의 간섭도 공간적으로 제어하여 동일한 양의 무선 자원으로 많은 수의 UE를 동시에 서비스할 수 있고 동시에 UE 당 소모 전력을 안테나 수의 역수로 감소시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.Massive MIMO (Multiple Input Multiple Output) technology is a wireless transmission technique that uses a large number of antennas in a base station or repeater. It also spatially controls interference between UE (User Equipment) signals through the same beamforming, It is possible to simultaneously serve a large number of UEs and at the same time reduce power consumption per UE by the reciprocal of the number of antennas.

그러나, 이 기술은 기존의 3섹터와 같이 넓은 서비스 대상 지역 안의 개별 UE들 마다 개별적으로 빔포밍을 적용하게 되면 FDD(Frequency Division Duplexing) 방식으로 이 기술을 구현하기 위해 Massive MIMO 채널 상태 정보(channel state information(CSI))를 UE에서 추정하여 기지국으로 피드백하여 기지국이 빔포밍 가중치(weight)을 결정하는 데 사용하도록 해야 하기 때문에 이 많은 양의 CSI 피드백이 기술의 구현에 큰 난점으로 인식되고 있다.However, if beamforming is applied to individual UEs in a wide service area such as the existing three sectors, the technique uses a frequency division duplexing (FDD) scheme to implement the technique, and a massive MIMO channel state information information (CSI) is estimated by the UE and fed back to the base station so that the base station can use it to determine the beamforming weight. This large amount of CSI feedback is recognized as a great difficulty in implementing the technique.

이 문제를 해결하기 위한 방법으로서 기존의 3섹터 시스템의 섹터를 다수의 빔 섹터로 분할하고 빔 섹터 안에서 기존의 MU-MIMO 기술로서 빔 분할 다중 접속(Beam Division Multiple Access(BDMA)) 기술이 제시되었다. BDMA 기술은 이동 통신 시스템에서 주파수/시간 자원뿐만 아니라 공간 자원도 효율적으로 분할하고, UE들에게 직교성(orthogonal)의 빔들을 할당하여 다중 접속하도록 한다. 즉, BDMA 기술은 비슷한 위치에 있는 단말들이 하나의 빔을 공용하여 통신하도록 한다.As a method for solving this problem, a sector of an existing three-sector system is divided into a plurality of beam sectors and a beam division multiple access (BDMA) technique is proposed as a conventional MU-MIMO technique in a beam sector . BDMA technology efficiently divides not only frequency / time resources but also spatial resources in a mobile communication system, and allocates orthogonal beams to UEs for multiple access. That is, the BDMA technique allows terminals located at similar positions to communicate by sharing one beam.

실시예들은 기존의 BDMA 기술에 의한 빔섹터 안에서의 MIMO채널이 조건수(condition number)가 크게 되어 온전하게 N개 스트림을 전송하기 어렵게 되는 점을 개선할 수 있다.Embodiments can improve the fact that the MIMO channel in the beam sector by the existing BDMA technique has a large condition number and it is difficult to transmit N streams in a perfect manner.

또한, 실시예들은 K개의 안테나 어레이를 활용하여 어레이 별로 B개의 빔섹터를 구성하여 BDMA 방식으로 주파수를 재사용하고, 동시에 각 빔섹터 안에서 MIMO 전송을 구현하기 위하여 K개의 안테나 어레이는 K개의 서로 다른 방사 패턴(편파 포함)을 갖도록 구성하고 빔섹터 별로 K개의 신호를 동시에 MIMO 전송할 수 있게 하여 시스템의 DoF(Degree of Freedom)와 주파수 효율성(Spectral Efficiency)를 개선할 수 있다.In addition, embodiments use K antenna arrays to configure B beam sectors for each array to reuse frequency in BDMA scheme and simultaneously implement MIMO transmission in each beam sector, K antenna arrays are arranged in K different radiation Pattern (including polarized waves), and enables simultaneous MIMO transmission of K signals for each beam sector, thereby improving DoF (Degree of Freedom) and Spectral Efficiency of the system.

뿐만 아니라, 실시예들은 동일한 AoD를 갖는 K개의 빔들을 사용하여 K개 스트림을 MIMO방식으로 동시 전송하기 위해서 서로 다른 패턴을 갖는 K개의 안테나 어레이를 중첩하여 사용함으로써, K개 송신 안테나 어레이를 위해 필요한 물리적 공간의 면적이 증가하지 않게 하여 공간 사용 활용성을 개선할 수 있다.In addition, embodiments use K antenna arrays having different patterns to simultaneously transmit K streams in the MIMO scheme using K beams having the same AoD, The space utilization area can be improved by preventing the area of the physical space from increasing.

일 실시예에 따른 패턴/편파 빔 분할 다중 접속 방법은 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들을 이용하여 안테나 어레이별로 복수의 빔섹터들을 생성하는 단계와, 상기 복수의 빔섹터들 각각에 MIMO 전송을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들 각각은 서로 다른 방사 패턴을 갖을 수 있다.The pattern / polarization beam division multiple access method includes generating a plurality of beam sectors for each antenna array using a plurality of pattern / polarized antenna arrays, and performing MIMO transmission on each of the plurality of beam sectors Wherein each of the plurality of pattern / polarized antenna arrays may have a different radiation pattern.

상기 수행하는 단계는 상기 복수의 빔섹터들 각각에 송신할 신호들을 프리코딩하는 단계와, 프리코딩된 신호들 각각을 상기 프리코딩된 신호들 각각에 대한 가중치에 기초하여 빔포밍하는 단계와, 빔포밍된 신호들을 상기 복수의 안테나 어레이들 각각을 이용하여 송신하는 단계를 포함할 수 있다.Wherein the performing comprises precoding signals to be transmitted to each of the plurality of beam sectors, beamforming each of the precoded signals based on a weight for each of the precoded signals, And transmitting the shaped signals using each of the plurality of antenna arrays.

상기 복수의 안테나 어레이들은 중첩(overlapping) 구조로 구현될 수 있다.The plurality of antenna arrays may be implemented in an overlapping structure.

상기 복수의 빔섹터들 각각에 생성되는 각 빔의 발사각(Angle of Departure)은 상기 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들의 안테나 어레이 인덱스에 관계없이 근사적으로 동일할 수 있다.The angle of departure of each beam generated in each of the plurality of beam sectors may be approximately the same regardless of the antenna array index of the plurality of pattern / polarized antenna arrays.

일 실시예에 따른 각각이 서로 다른 방사 패턴을 갖는 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들과, 상기 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들을 이용하여 안테나 어레이별로 복수의 빔섹터들을 생성하고, 상기 복수의 빔섹터들 각각에 MIMO 전송을 수행하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.A plurality of pattern / polarized antenna arrays, each having a different radiation pattern, and a plurality of beam sectors for each antenna array using the plurality of pattern / polarized antenna arrays, Lt; RTI ID = 0.0 > MIMO < / RTI >

상기 컨트롤러는 상기 복수의 빔섹터들 각각에 송신할 신호들을 프리코딩하는 프리코더와, 프리코딩된 신호들 각각을 상기 프리코딩된 신호들 각각에 대한 가중치에 기초하여 빔포밍하는 빔포머를 포함할 수 있다.The controller includes a precoder for precoding signals to be transmitted to each of the plurality of beam sectors and a beam former for beamforming each of the precoded signals based on a weight for each of the precoded signals .

상기 프리코더는 빔섹터별로 구현될 수 있다.The precoder may be implemented for each beam sector.

도 1은 MIMO BDMA 시스템의 일 예를 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 패턴 편파 안테나 어레이들을 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 편파 안테나 어레이들을 이용한 안테나 구조의 일 예를 나타낸다.
도 4는 일 실시예에 따른 패턴 편파 BDMA 기술에 의한 빔섹터화 개념도를 나타낸다.
도 5는 일 실시예에 따른 P2BDMA 송신기 구조를 나타낸다.
도 6은 수신 안테나들의 패턴들이 서로 다른 경우 유니폼 선형 어레이들(uniform linear array)을 사용한 채널 시뮬레이션을 나타낸다.
도 7은 수신 안테나들의 패턴들이 서로 동일한 경우 유니폼 선형 어레이들(uniform linear array)을 사용한 채널 시뮬레이션을 나타낸다.
도 8은 일 실시예에 따른 패턴 편파 안테나 구조의 구현 예를 나타낸다.
도 9는 도 8에 도시된 패턴 편파 안테나 소자들의 포트별 방사 패턴을 나타낸다.
도 10은 P2BDMA 성능 시뮬레이션을 위한 편파 BDMA 빔 섹터 구성을 나타낸다.
도 11은 도 10에 도시된 빔섹터의 AoD가 반영되어 생성된 빔패턴들을 나타낸다.
도 12는 가로 8개 안테나 소자를 사용하여 설계된 수평빔들의 패턴들과, 세로 4개 안테나 소자를 사용하여 설계된 수직빔들의 패턴들을 나타낸다.
도 13은 기존 BDMA와 P2BDMA 간의 주파수 효율성(Spectral Efficiency) 비교의 일 예를 나타낸다.
도 14는 기존 BDMA와 P2BDMA 간의 주파수 효율성(Spectral Efficiency) 비교의 다른 예를 나타낸다.1 shows an example of a MIMO BDMA system.
Figure 2 shows patterned polarized antenna arrays according to one embodiment.
FIG. 3 shows an example of an antenna structure using the polarized antenna arrays shown in FIG.
FIG. 4 is a conceptual view of beam sectoring by the pattern-polarized BDMA technique according to an embodiment.
5 illustrates a P2BDMA transmitter structure according to one embodiment.
6 illustrates a channel simulation using a uniform linear array when the patterns of receive antennas are different from each other.
7 shows a channel simulation using a uniform linear array when the patterns of the reception antennas are equal to each other.
FIG. 8 shows an embodiment of a pattern-polarized antenna structure according to an embodiment.
FIG. 9 shows a radiation pattern for each port of the pattern-polarized antenna elements shown in FIG.
Figure 10 shows a polarization BDMA beam sector configuration for P2BDMA performance simulation.
FIG. 11 shows beam patterns generated by reflecting the AoD of the beam sector shown in FIG.
Figure 12 shows patterns of horizontal beams designed using 8 transverse antenna elements and patterns of vertical beams designed using 4 transverse antenna elements.
13 shows an example of a comparison of spectral efficiency between existing BDMA and P2BDMA.
FIG. 14 shows another example of a comparison of spectral efficiency between existing BDMA and P2BDMA.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.It is to be understood that the specific structural or functional descriptions of embodiments of the present invention disclosed herein are presented for the purpose of describing embodiments only in accordance with the concepts of the present invention, May be embodied in various forms and are not limited to the embodiments described herein.

본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Embodiments in accordance with the concepts of the present invention are capable of various modifications and may take various forms, so that the embodiments are illustrated in the drawings and described in detail herein. However, it is not intended to limit the embodiments according to the concepts of the present invention to the specific disclosure forms, but includes changes, equivalents, or alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.The terms first, second, or the like may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms may be named for the purpose of distinguishing one element from another, for example without departing from the scope of the right according to the concept of the present invention, the first element being referred to as the second element, Similarly, the second component may also be referred to as the first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Expressions that describe the relationship between components, for example, "between" and "immediately" or "directly adjacent to" should be interpreted as well.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises ", or" having ", and the like, are used to specify one or more of the features, numbers, steps, operations, elements, But do not preclude the presence or addition of steps, operations, elements, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the meaning of the context in the relevant art and, unless explicitly defined herein, are to be interpreted as ideal or overly formal Do not.

이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. Like reference symbols in the drawings denote like elements.

이하에서 설명될 실시예들은 3GPP의 5G 핵심기술의 하나로서 표준화 중인 FD-MIMO(Full Dimension MIMO) 기술의 진화된 새로운 개념의 기술로서, 기존의 BDMA 기술 대비 매우 높은 스펙트럼 효율(spectral efficiency) 개선을 달성하는 기술로서 이동 및 무선통신 시장에 그 파급 효과가 매우 클 것으로 예상된다.The following embodiments will be described as an advanced new concept of FD-MIMO (Full-Dimension MIMO) technology that is being standardized as one of the 5G core technologies of 3GPP. It is expected to improve spectral efficiency It is expected that the ripple effect will be very great in the mobile and wireless communication market.

도 1은 MIMO BDMA 시스템의 일 예를 나타낸다.1 shows an example of a MIMO BDMA system.

도 1을 참조하면, MIMO BDMA 기술은 빔포머를 사용하여 빔섹터를 구성하고, 각 빔섹터에서 SU-MIMO(Single User Multiple Input Multiple Output)_ 또는 MU-MIMO(Multi User Multiple Input Multiple Output)_ 전송을 제공할 수 있다.Referring to FIG. 1, a MIMO BDMA technique uses a beam former to construct a beam sector, and each beam sector has an SU-MIMO (Multiple User Multiple Input Multiple Output) or MU-MIMO (Multi User Multiple Input Multiple Output) Lt; / RTI >

MIMO BDMA 기술은 다음과 같은 측면에서 문제점을 갖을 수 있다.The MIMO BDMA technique may have problems in the following aspects.

<DoF(degree of freedom) 달성 측면><DoF (degree of freedom) achievement aspect>

K개의 송신 안테나 어레이들이 일정 간격 이상으로 분리된 위치에서 다중 스트림을 전송할 경우, K개의 신호들의 발사각(Angle of Departure(AoD))이 모두 같은 빔섹터로 송신되게 되면 K개의 수신 안테나와 송신 안테나 사이의 MIMO 채널은 그 조건수(condition number)가 크게 되어 온전하게 K개 스트림을 전송하기 어렵게 될 수 있다.When multiple transmission streams are transmitted at a position where K transmission antenna arrays are separated from each other by a predetermined interval, if the angles of departure (AoD) of K signals are all transmitted to the same beam sector, The condition number of the MIMO channel of the MIMO channel may become large, and it may become difficult to transmit the K streams perfectly.

<공간 사용 활용성 측면><Space Usability>

동일한 AoD를 갖는 K개의 빔들을 사용하여 K개 스트림을 MIMO 방식으로 동시 전송하기 위해서 동일한 패턴을 갖는 K개의 안테나 어레이가 서로 반파장보다 큰 간격을 갖도록 배치되어야 하기 때문에 K개 송신 안테나 어레이를 위한 큰 물리적 공간이 필요할 수 있다.In order to simultaneously transmit K streams using the K beams having the same AoD in the MIMO scheme, since K antenna arrays having the same pattern are arranged to have intervals larger than half wavelengths, Physical space may be required.

실시예에 따른 P2BDMA(Pattern Polarization Beam Division Multiple Access) 기술을 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용되는 "패턴/편파 안테나 소자"와 "패턴/편파 안테나 어레이"을 다음과 같이 정의할 수 있다.Before describing the P2BDMA (Pattern Polarization Beam Division Multiple Access) technique according to the embodiment, the "pattern / polarized antenna element" and the "pattern / polarized antenna array" used in this specification can be defined as follows.

본 명세서에서 "패턴/편파 안테나 소자"는 편파 특성(예를 들어, 수직 편파 성분(vertical polarization component) 및 수평 편파 성분(horizontal polarization component))을 포함하는 유니크(unique)한 방사 패턴을 갖는 안테나 소자를 의미하고, "패턴/편파 안테나 어레이"는 동일한 편파 특성 및 방사 패턴을 갖는 복수의 안테나 소자들로 구성된 안테나 어레이를 의미할 수 있다.As used herein, the term "pattern / polarized antenna element" refers to an antenna element having a unique radiation pattern that includes polarization characteristics (e.g., a vertical polarization component and a horizontal polarization component) Quot; pattern / polarized antenna array "may mean an antenna array composed of a plurality of antenna elements having the same polarization characteristics and radiation pattern.

실시예에 따른 P2BDMA(Pattern Polarization Beam Division Multiple Access) 기술은 상술한 측면을 위해 다음과 같이 동작할 수 있다.The P2BDMA (Pattern Polarization Beam Division Multiple Access) technique according to the embodiment can operate as follows for the above-mentioned aspects.

K개의 안테나 어레이를 활용하여 어레이 별로 B개의 빔섹터를 구성하여 BDMA 방식으로 주파수를 재사용할 수 있다.Using K antenna arrays, B beam sectors can be configured for each array, and the frequency can be reused by the BDMA scheme.

각 빔섹터 안에서 MIMO 전송을 구현하기 위하여 K개의 안테나 어레이는 K개의 서로 다른 방사 패턴을 갖도록 구성할 수 있다.To implement MIMO transmission within each beam sector, the K antenna arrays may be configured to have K different radiation patterns.

빔섹터 b로 K개의 신호가 송신되도록 하기 위하여 빔섹터 b로 송신할 K개 신호들

을 프리코딩한 다음, 프리코더 출력 신호들

을 각 신호 별로 가중 벡터(weight vector)

를 사용하여 빔포밍한 다음, 빔포머의 출력 신호

를 각각 패턴 편파 안테나 어레이 k (k=1,2,...,K)를 사용하여 송신되도록 할 수 있다.To transmit K signals in beam sector b, K signals to be transmitted to beam sector b

Precoder output signals < RTI ID = 0.0 >

A weight vector for each signal,

And then the beamformer output signal < RTI ID = 0.0 >

Can be transmitted using the pattern-polarized antenna array k (k = 1, 2, ..., K), respectively.

이때, 프리코더 b는 빔섹터 b로 송신되는 K개의 신호들 사이의 간섭을 제어할 수 있다.At this time, the precoder b can control the interference between the K signals transmitted in the beam sector b.

<공간 사용 활용성 측면><Space Usability>

K개의 송신 안테나 어레이들을 서로 오버레이(overlay)하여 집적화할 수 있다.The K transmit antenna arrays can be overlaid and integrated with each other.

이에, 상술한 측면은 본 발명의 P2BDMA 기술을 통해 다음과 같이 개선될 수 있다.Thus, the above aspects can be improved through the P2BDMA technique of the present invention as follows.

K개의 송신 패턴/편파 안테나 어레이들을 사용하여 빔섹터 별로 K개의 신호를 동시에 MIMO 전송할 수 있게 되어 시스템의 DoF를 K가 되도록 하여 주파수 효율성을 갖을 수 있다.K transmission signal / polarization antenna arrays can be used to simultaneously transmit K signals in each beam sector by MIMO, so that the DoF of the system can be K so that frequency efficiency can be obtained.

<공간 사용 활용성 측면><Space Usability>

동일한 AoD를 갖는 K개의 빔들을 사용하여 K개 스트림을 MIMO 방식으로 동시 전송하기 위해서 서로 다른 패턴을 갖는 K개의 안테나 어레이를 중첩하여 사용함으로써, K개 송신 안테나 어레이를 위해 필요한 물리적 공간의 면적이 증가하지 않게 될 수 있다.By using K antennas having different patterns to overlap the K streams having the same AoD and simultaneously transmitting K streams in the MIMO scheme, the area of the physical space required for the K transmit antenna arrays increases You can not.

이하에서는 실시예에 따른 P2BDMA(Pattern Polarization Beam Division Multiple Access) 기술에 대해서 상세히 설명한다.Hereinafter, the P2BDMA (Pattern Polarization Beam Division Multiple Access) technique according to the embodiment will be described in detail.

도 2는 일 실시예에 따른 패턴/편파 안테나 어레이들을 나타내고, 도 3은 도 2에 도시된 패턴/편파 안테나 어레이들을 이용한 안테나 구조의 일 예를 나타낸다.FIG. 2 shows pattern / polarized antenna arrays according to one embodiment, and FIG. 3 shows an example of an antenna structure using the pattern / polarized antenna arrays shown in FIG.

도 2를 참조하면, P2BDMA 기술은 복수의 독립적인 패턴/편파 특성을 갖는 안테나 어레이들을 이용할 수 있다. 도 2에서는 설명의 편의를 위해 독립적인 패턴/편파 특성을 갖는 안테나 어레이가 4개인 것으로 가정하여 설명한다.Referring to FIG. 2, the P2BDMA technique may utilize antenna arrays having a plurality of independent pattern / polarization characteristics. In FIG. 2, for convenience of explanation, it is assumed that there are four antenna arrays having independent pattern / polarization characteristics.

도 2에 도시된 바와 같이, 제1 패턴/편파 안테나 어레이(Type1)는 제1 편파 특성 및 제1 방사 패턴을 갖는 제1 패턴/편파 안테나들을 포함할 수 있다. 제2 패턴/편파 안테나 어레이(Type2)는 제2 편파 특성 및 제2 방사 패턴을 갖는 제2 패턴/편파 안테나들을 포함할 수 있다. 제3 패턴/편파 안테나 어레이(Type3)는 제3 편파 특성 및 제3 방사 패턴을 갖는 제3 패턴/편파 안테나들을 포함할 수 있다. 제4 패턴/편파 안테나 어레이(Type4)는 제4 편파 특성 및 제4 방사 패턴을 갖는 제4 패턴/편파 안테나들을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 2, the first pattern / polarized antenna array (Type 1) may include first pattern / polarized antennas having a first polarization characteristic and a first radiation pattern. The second pattern / polarized antenna array (Type 2) may include second pattern / polarized antennas having a second polarization characteristic and a second radiation pattern. The third pattern / polarized antenna array (Type 3) may include third pattern / polarized antennas having a third polarization characteristic and a third radiation pattern. The fourth pattern / polarized antenna array (Type 4) may include fourth pattern / polarized antennas having a fourth polarization characteristic and a fourth radiation pattern.

제1 편파 특성, 제2 편파 특성, 제3 편파 특성, 및 제4 편파 특성은 서로 상이할 수 있다. 또한, 제1 방사 패턴, 제2 방사 패턴, 제3 방사 패턴, 및 제4 방사 패턴은 서로 상이할 수 있다.The first polarization characteristic, the second polarization characteristic, the third polarization characteristic, and the fourth polarization characteristic may be different from each other. Further, the first radiation pattern, the second radiation pattern, the third radiation pattern, and the fourth radiation pattern may be different from each other.

4가지 독립적인 패턴/편파 특성을 갖는 안테나 어레이(Type1~Type4)를 대상으로 성능을 분석한 결과는 후술한다.The results of analyzing the performance of the antenna arrays (Type 1 to Type 4) having four independent pattern / polarization characteristics will be described later.

도 3에 도시된 바와 같이, 4가지 독립적인 패턴/편파 특성을 갖는 안테나 어레이들(Type1~Type4)은 중첩(overlapping) 구조로 구현될 수 있다. 이에, 안테나의 물리적 점유 공간이 절약될 수 있다.As shown in FIG. 3, the antenna arrays (Type 1 to Type 4) having four independent pattern / polarization characteristics can be implemented with an overlapping structure. Thus, the physical occupation space of the antenna can be saved.

도 4는 일 실시예에 따른 P2BDMA 기술에 의한 빔섹터화(beam sectorization) 개념도를 나타낸다.FIG. 4 shows a concept of beam sectorization by the P2BDMA technique according to an embodiment.

도 4를 참조하면, 도 3과 같은 패턴/편파 어레이들을 사용하여 복수의 빔섹터들을 구성하고, 복수의 빔섹터들 각각의 안의 빔을 생성하는 방법은 다음과 같을 수 있다.Referring to FIG. 4, a method of constructing a plurality of beam sectors using the pattern / polarization array as shown in FIG. 3 and generating a beam in each of the plurality of beam sectors may be as follows.

서로 다른 방사 패턴을 갖는 K개의 패턴/편파 안테나 어레이를 활용할 수 있다.K pattern / polarized antenna arrays with different radiation patterns can be utilized.

패턴/편파 안테나 어레이들은 빔포밍을 통하여 각각 B개의 빔섹터를 생성할(또는 구성할) 수 있다. 즉, 패턴/편파 안테나 어레이 별로 B개의 빔섹터가 생성될 수 있다.k번째 패턴/편파 안테나 어레이에 의해 b번째 빔섹터 안에 생성된 빔, 예를 들어 빔1,k의 AoD는 어레이 인덱스 k와 관계없이 근사적으로 같은 값을 갖도록 할 수 있다. 즉,

일 수 있다. 여기서,

는 b번째 빔섹터의 AoD를 의미할 수 있다.The pattern / polarized antenna arrays may generate (or configure) B beam sectors, respectively, through beamforming. That is, B beam sectors may be generated for each pattern / polarization antenna array. AoD of beams generated in the bth beam sector by the kth pattern / polarized antenna array, e.g., beam 1, k, It is possible to have approximately the same value irrespective of each other. In other words,

Lt; / RTI > here,

May be AoD of the b-th beam sector.

이렇게 함으로써 특정 빔섹터 b안에서 KxK MIMO 채널이 형성될 수 있다.By doing so, a KxK MIMO channel can be formed within a particular beam sector b.

도 5는 일 실시예에 따른 P2BDMA를 수행하는 송신 장치의 구조를 나타낸다.5 illustrates a structure of a transmitting apparatus for performing P2BDMA according to an embodiment.

도 5를 참조하면, 도 5의 송신 장치의 구조를 사용하여 B개의 빔섹터 별로 K개의 스트림을 송신하는 방법은 다음과 같을 수 있다. 예를 들어, 송신 장치는 일반적으로 UE들과 통신하는 고정 또는 이동 기지국(base station)일 수 있다. 또한, 송신 장치는 노드-B(Node-B), e노드-B(eNode-B 또는 eNB), BTS(Base Transceiver System), 또는 액세스 포인트(Access Point) 등으로 불릴 수 있다.Referring to FIG. 5, a method of transmitting K streams by B beam sectors using the structure of the transmitting apparatus of FIG. 5 may be as follows. For example, the transmitting device may be a fixed or mobile base station that typically communicates with the UEs. The transmitting apparatus may also be referred to as a Node-B, an eNode-B or an eNB, a Base Transceiver System (BTS), or an Access Point.

각 빔섹터 내 UE들은 K개의 스트림을 수신할 수 있다. UE들은 이동국(Mobile Station(MS)), 이동 단말기(Mobile Terminal(MT)), 단말기(terminal, 또는 사용자 단말기(User Terminal(UT)), 무선 단말기, 액세스 단말기(AT), 가입자 유닛(Subscriber Unit), 가입자 스테이션(Subscriber Station(SS)), 무선 장치(Wireless device), 무선 통신 장치, 무선 송수신 유닛(Wireless Transmit/Receiver Unit(WTRU)), 이동 노드, 또는 모바일 등으로 불릴 수 있다.The UEs in each beam sector can receive K streams. The UEs may include a mobile station (MS), a mobile terminal (MT), a terminal or a user terminal (UT), a wireless terminal, an access terminal (AT), a subscriber unit ), A subscriber station (SS), a wireless device, a wireless communication device, a wireless transmit / receive unit (WTRU), a mobile node, or a mobile.

송신 장치는 P개의 서로 다른 방사 패턴을 갖는 패턴/편파 안네나 소자를 포함하는 패턴/편파 안테나 어레이를 활용하여 어레이 별로 B개의 빔섹터를 구성할 수 있다.The transmitting apparatus can construct B beam sectors for each array by utilizing a pattern / polarized antenna array including pattern / polarized antenna elements having P different radiation patterns.

도 5에 도시된 바와 같이, 도 3에 도시된 패턴/편파 안테나 어레이(또는 패턴/편파 안테나 어레이 구조)는 K개의 가상 안테나 어레이(virtual antenna array)로 분해될 수 있다. k번째 가상 안테나 어레이의 크기(dimension)는 M_k x N_k일 수 있다. 여기서, M_k와 N_k 각각은 M과 N 각각보다 작은 정수일 수 있다. 이때, 간단한 케이스는 K=P인 경우이다.As shown in FIG. 5, the pattern / polarized antenna array (or pattern / polarized antenna array structure) shown in FIG. 3 may be decomposed into K virtual antenna arrays. The size of the k-th virtual antenna array (dimension) may be an M x N _k _k. Here, M and N _k _k each is an integer number less than M and N, respectively. At this time, a simple case is K = P.

각 가상 안테나 어레이는 서비스 영역(service area)을 가상 안테나 어레이 인덱스 k에 독립적인(또는 관계없는) AoD를 갖는 B개의 섹터로 분할하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 서비스 영역은 송신 장치가 서비스 가능한(또는 통신 가능한) UE들이 위치한 지역일 수 있다.Each virtual antenna array may be used to divide a service area into B sectors with AoD independent (or irrelevant) to the virtual antenna array index k. For example, the service area may be an area in which the UEs are located where serviceable (or communicatable) UEs are located.

따라서, K개의 가상 안테나 어레이를 갖는 패턴/편파 안테나 어레이를 사용하여 N_r x K 채널은 각 섹터에 구현될 수 있다. N_r은 UE의 안테나의 개수를 의미할 수 있다.

심볼들은 동일한 시간/주파수 자원을 통해 각 섹터로 전송될 수 있다.Thus, N _r x K channels can be implemented in each sector using a pattern / polarized antenna array with K virtual antenna arrays. N _r may denote the number of antennas of the UE.

The symbols may be transmitted to each sector via the same time / frequency resource.

을 프리코딩한 다음, 프리코더 출력신호들

을 각 신호별로 가중 벡터(weight vector)

를 사용하여 빔포밍한 다음, 빔포머 출력 신호

를 각각 패턴/편파 안테나 어레이 k (k=1,2,...,K)를 사용하여 송신되도록 할 수 있다.To transmit K signals in beam sector b, K signals to be transmitted to beam sector b

Precoder output signals < RTI ID = 0.0 >

A weight vector for each signal,

And then the beam former output signal < RTI ID = 0.0 >

May be transmitted using pattern / polarized antenna arrays k (k = 1, 2, ..., K), respectively.

는 빔섹터 b로 송신되는 k번째 신호(또는 스트림)을 위한 빔포머 가중치(또는 빔포밍 가중치)를 의미할 수 있다.

는 빔섹터 b에 대한 빔포머 가중치(또는 빔포밍 가중치)이고, 빔섹터 b의 중심 방향으로 빔섹터 b를 규정하는 것일 수 있다.

May refer to a beamformer weight (or beamforming weight) for the kth signal (or stream) transmitted in beam sector b.

May be a beamformer weight (or beamforming weight) for beam sector b, and may define beam sector b in the center direction of beam sector b.

여기서,

는 N_Tx1 벡터로서 그 요소(element)들은 0과 같거나 또는 0에 가까운 값을 가질 수 있다. N_T는 송신 안테나의 개수를 의미할 수 있다.here,

Is an N _T x1 vector whose elements can be equal to or close to zero. N _T can be the number of transmit antennas.

프리코더 b는 빔섹터 b로 송신되는 K개의 신호들 사이의 간섭을 제어하는 기능을 수행할 수 있다.The precoder b can perform the function of controlling the interference between the K signals transmitted in the beam sector b.

P2BDMA 채널의 특성을 분석하기 위하여 특정 빔섹터 b안의 신호 모델은 다음과 같이 유도될 수 있다.In order to analyze the characteristics of the P2BDMA channel, the signal model in a specific beam sector b can be derived as follows.

송신 장치, 예를 들어 eNB로부터 빔섹터 b 내의 UE로 L 개의 경로(path, 또는 scatterer)가 있다고 가정한다. N_r개의 수신 안테나를 갖는 UE에서의 수신된 신호 벡터는 수학식 1과 같을 수 있다.Assume that there are L paths (paths or scatterers) from a transmitting device, e. G. An eNB, to a UE in beam sector b. The received signal vector at the UE with N _r receive antennas may be as shown in equation (1).

여기서,

는 송신 심볼 벡터(transmit symbol vector)일 수 있다.

은 가산 노이즈 벡터(additive noise vector)일 수 있다. here,

May be a transmit symbol vector.

May be an additive noise vector.

채널 매트릭스는 수학식 2와 같을 수 있다.The channel matrix may be equal to Equation (2).

여기서,

은 l번째 경로의 이득 및 위상 응답(gain and phase response)이고,

은 빔섹터 b에 대한 빔포머 가중치(beamformer weight)이고,

,

은 수학식 3, 4, 및 5와 같을 수 있다.here,

Is the gain and phase response of the lth path,

Is the beamformer weight for beam sector b,

,

Can be equal to Equations (3), (4), and (5).

은 l번째 경로에 대한 송신 안테나 어레이의 어레이 요인(array factor)를 의미할 수 있다. 여기서,

은 n번째 송신 안테나 소자(transmit antenna element)의 소자 요인(element factor)을 의미할 수 있다.

May refer to an array factor of the transmit antenna array for the lth path. here,

May refer to an element factor of an nth transmit antenna element.

은 l번째 경로에 대한 수신 안테나 어레이의 어레이 요인(array factor)을 원소로 갖는 대각 행렬(diagonal matrix)을 의미할 수 있다. 여기서,

은 n번째 수신 안테나 소자(receive antenna element)의 소자 요인(element factor)이고, diag(.)은 대각화 연산(diagonalization operation)을 의미할 수 있다.

May refer to a diagonal matrix having an array factor of the receive antenna array for the lth path as an element. here,

Is an element factor of an nth receive antenna element, and diag (.) Can be a diagonalization operation.

은 방사 패턴(radiation pattern) 및 교차 편파 효과(또는 간섭 편파 효과, cross-polarization effect)를 나타내는 N_r x K 매트릭스를 의미할 수 있다. 예를 들어,

은 송신 안테나 어레이와 수신 안테나 어레이 사이의 안테나 방사 패턴 및 편파가 l번째 경로 채널에 미치는 영향을 나타내는 것일 수 있다. 여기서, (m, n) 번째 요소는 수학식 6과 같이 정의될 수 있다.

May refer to an N _r x K matrix representing a radiation pattern and a cross-polarization effect (or an interference polarization effect). E.g,

May be indicative of the effect of the antenna radiation pattern and polarization between the transmit antenna array and the receive antenna array on the lth path channel. Here, the (m, n) th element can be defined as Equation (6).

여기서, , l번째 경로에 대응하는

의 AoA를 갖는 m번째 수신 안테나의 방사 패턴

은 수직 편파 성분과 수평 편파 성분으로 정의될 수 있다.

과

은 l번째 경로에 대응하는

의 AoA를 갖는 m번째 수신 안테나에서 수직면(vertical plane)에 방사하는 패턴 및 수평면(horizontal plane)에 방사하는 패턴(예를 들어, 수직 및 수평 편파 성분)을 의미할 수 있다.
또한, l번째 경로에 대응하는

의 AoD를 갖는 k번째 송신 안테나의 방사 패턴

은 수직 편파 성분과 수평 편파 성분으로 정의될 수 있다.

과

은 l번째 경로에 대응하는

의 AoD를 갖는 k번째 송신 안테나에서 수직면에 방사하는 패턴 및 수평면에 방사하는 패턴을 의미할 수 있다. 그리고,

은 l번째 경로의 교차 편파 효과를 의미할 수 있다.앞서 유도한 신호 모델을 기반으로 빔섹터 b안의 MIMO 채널에 대한 랭크(rank)를 분석하면 다음과 같을 수 있다.Here, < RTI ID = 0.0 >

The radiation pattern of the m < th >

Can be defined as a vertical polarization component and a horizontal polarization component.

and

Corresponds to the lth path

(E.g., vertical and horizontal polarization components) that radiate in a vertical plane and a horizontal plane in the mth receive antenna having AoA of AoA.
Also, the

The radiation pattern of the k < th >

and

Corresponds to the lth path

A pattern radiating in a vertical plane and a pattern radiating in a horizontal plane in the k-th transmit antenna having AoD of FIG. And,

The rank of the MIMO channel in the beam sector b can be analyzed as follows based on the signal model derived above.

송신 장치의 송신 패턴/편파 안테나 어레이들의 패턴이 서로 다르고, UE의 모든 수신 안테나들(또는 수신 안테나 소자들)의 패턴이 동일한 경우,

의 모든 로우들이 동일할 수 있다. 이에, 수학식 2는 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.If the patterns of the transmit pattern / polarized antenna arrays of the transmitter are different and the pattern of all the receive antennas (or receive antenna elements) of the UE is the same,

All of the rows in FIG. Equation (2) can be expressed as Equation (7).

여기서,

은

의 첫번째 로우 벡터(first row vector)이고, l번째 경로에 대한 수신 안테나 어레이의 어레이 요인(array factor)을 나타내는

은 수학식 8과 같을 수 있다.here,

silver

The first row vector of the receive antenna array for the l < th > path,

Can be expressed by Equation (8).

수학식 7에서의

매트릭스는 랭크 매트릭스

의 선형 조합(linear combination)이기 때문에,

의 랭크의 최대 값(maximum value)은 L보다 클 수 없다. 이에, 채널 H의 랭크는

이고, L≥

에 대해.

와 같을 수 있다.In Equation 7,

The matrix is a rank matrix

Since it is a linear combination of < RTI ID = 0.0 >

The maximum value of the rank can not be greater than L. Thus, the rank of the channel H is

, L >

About.

&Lt; / RTI >

송신 장치의 송신 패턴/편파 안테나 어레이들의 패턴이 서로 다르고, UE의 모든 수신 안테나들의 패턴도 서로 다른 경우, 매트릭스

는

의 랭크를 포함할 수 있다. 이는, L 값에 관계 없이, 채널 H의 랭크는

임을 의미할 수 있다. 이 경우,

> 1뿐만 아니라 L=1인LoS(line-of-sight) 채널에서 조차

의 랭크는 1보다 클 수 있다.If the patterns of the transmit pattern / polarized antenna arrays of the transmitter are different and the patterns of all the receive antennas of the UE are different,

The

Quot; < / RTI > This means that regardless of the value of L, the rank of the channel H is

. in this case,

> 1 as well as even on a line-of-sight (LoS) channel with L = 1

May be greater than one.

L≥

인 산란 환경(scattering environment)에서, UE 안테나 소자들이 동일한 방사 패턴 또는 서로 상이한 방사 패턴이던, 패턴/편파 안테나 타입의 개수를 증가시켜 채널

의 랭크를

로 증가시키는 것이 가능할 수 있다. 서로 상이한 패턴들의 UE의 안테나 소자인 경우, N_r 및 K를 증가시켜 L=1인 채널 H를 통해서도 동일한 시간 및 주파수에서 멀티플 심볼들을 전송하는 것이 가능할 수 있다.L >

In a scattering environment where the UE antenna elements are of the same radiation pattern or different radiation patterns, the number of pattern /

The rank of

Lt; / RTI > If it is the antenna element of the UEs of different patterns, it may be possible to increase the N _r and K to transmit multiple symbols at the same time and frequency through the channel H with L = 1.

이하에서는, 도 6 및 도 7을 참조하여 상술한 송신 장치의 안테나 어레이와 UE의 안테나 패턴에 따른 채널 H의 랭크 특성,즉, DoF의 시뮬레이션에 대해 설명한다.Hereinafter, the simulation of the rank property of the channel H according to the antenna pattern of the antenna array and the antenna pattern of the UE, that is, DoF will be described with reference to FIGS. 6 and 7. FIG.

도 6은 수신 안테나들의 패턴들이 서로 다른 경우 유니폼 선형 어레이들(uniform linear array)을 사용한 채널 시뮬레이션을 나타낸다.6 illustrates a channel simulation using a uniform linear array when the patterns of receive antennas are different from each other.

송신 패턴/편파 안테나 어레이들의 패턴이 서로 다르고, 수신 안테나들의 패턴도 서로 다른 경우, 채널 H의 랭크 특성은 도 6에 도시된 바와 같을 수 있다. 이때, 각 빔섹터 안의 채널 클러스터의 수는 Ncl = 1로, 각 채널 클러스터안의 ray 수는Nray = 20로, 송신 안테나 어레이의 송신 안테나 소자의 개수는 Nt = 16로, 수신 안테나 어레이의 수신 안테나 소자의 개수는 Nr = 4로, K = 4로 적용했다.When the patterns of the transmission pattern / polarized antenna arrays are different from each other and the patterns of the reception antennas are different from each other, the rank property of the channel H may be as shown in FIG. In this case, the number of channel clusters in each beam sector is Ncl = 1, the number of rails in each channel cluster is Nray = 20, the number of transmission antenna elements in the transmission antenna array is Nt = 16, Nr = 4, and K = 4.

시뮬레이션 결과는 확산 각도(angular spread)에 관계없이 DoF = 4를 얻을 수 있음을 보여준다. 또한, DoF 판정시, 채널 매트릭스의 특이값(singular value)이 최대치의 1/10³이하인 부분 공간 고유 벡터(subspace eigenvector)는 null subspace로 판정될 수 있다.The simulation results show that DoF = 4 can be obtained regardless of the angular spread. Further, at the time of DoF determination, a subspace eigenvector having a singular value of the channel matrix equal to or smaller than 1/10 ³ of the maximum value can be determined as null subspace.

도 7은 수신 안테나들의 패턴들이 서로 동일한 경우 유니폼 선형 어레이들(uniform linear array)을 사용한 채널 시뮬레이션을 나타낸다.7 shows a channel simulation using a uniform linear array when the patterns of the reception antennas are equal to each other.

송신 패턴/편파 안테나 어레이들의 패턴이 서로 다르고, 수신 안테나들의 패턴은 서로 같은 경우, 채널 H의 랭크 특성은 도 7에 도시된 바와 같을 수 있다. 이때, 각 빔섹터 안의 채널 클러스터의 수는 Ncl = 1로, 각 채널 클러스터안의 ray 수는Nray = 20로, 송신 안테나 어레이의 송신 안테나 소자의 개수는 Nt = 16로, 수신 안테나 어레이의 수신 안테나 소자의 개수는 Nr = 4로, K = 4로 적용했다.When the patterns of the transmission pattern / polarized antenna arrays are different from each other and the patterns of the reception antennas are equal to each other, the rank property of the channel H may be as shown in FIG. In this case, the number of channel clusters in each beam sector is Ncl = 1, the number of rails in each channel cluster is Nray = 20, the number of transmission antenna elements in the transmission antenna array is Nt = 16, Nr = 4, and K = 4.

도 7의 시뮬레이션 결과도 도 6과 마찬가지로 확산 각도(angular spread)에 관계없이 DoF = 4를 얻을 수 있음을 보여준다. 또한, DoF 판정시 채널 매트릭스의 특이값(singular value)이 최대치의 1/10³이하인 부분 공간 고유 벡터(subspace eigenvector)는 null subspace로 판정될 수 있다.The simulation result of FIG. 7 also shows that DoF = 4 can be obtained regardless of the angular spread as in FIG. Also, a subspace eigenvector having a singular value of the channel matrix equal to or smaller than 1/10 ³ of the maximum value in the DoF determination can be determined as null subspace.

도 8은 일 실시예에 따른 패턴/편파 안테나 구조의 구현 예를 나타내고, 도 9는 도 8에 도시된 패턴/편파 안테나 소자들의 포트별 방사 패턴을 나타낸다.FIG. 8 shows an embodiment of a pattern / polarized antenna structure according to an embodiment, and FIG. 9 shows a radiation pattern for each port of the pattern / polarized antenna elements shown in FIG.

도 8에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 P2BDMA 기술의 성능을 보다 practical한 관점에서 살펴보기 위하여 4가지 패턴/편파 특성을 갖는 패턴 편파 안테나를 설계할 수 있다. 또한, 패턴 편파 안테나 소자들의 포트별 방사 패턴들은 도 9에 도시된 바와 같을 수 있다.As shown in FIG. 8, in order to examine the performance of the P2BDMA technique according to an embodiment from a more practical point of view, a pattern-polarized antenna having four patterns / polarization characteristics can be designed. In addition, the radiation patterns for the ports of the pattern-polarized antenna elements may be as shown in FIG.

이하에서는, P2BDMA 성능 시뮬레이션의 결과를 설명한다.Hereinafter, the results of the P2BDMA performance simulation will be described.

도 10은 P2BDMA 성능 시뮬레이션을 위한 편파 BDMA 빔 섹터 구성을 나타내고, 도 11은 도 10에 도시된 빔섹터의 AoD가 반영되어 생성된 빔패턴들을 나타낸다.FIG. 10 shows a polarization BDMA beam sector configuration for P2BDMA performance simulation, and FIG. 11 shows beam patterns generated by reflecting AoD of the beam sector shown in FIG.

도 10에 도시된 바와 같이, P2BDMA 성능 시뮬레이션을 위해 먼저 도 10과 같이 8개 빔섹터에 대한 AoD를 정의할 수 있다. 각 빔섹터안에는 4개씩, 총 32개의 패턴 편파 빔들이 송신될 수 있다. 이때, 도 11은 도 10에 도시된 빔섹터의 AoD가 반영된 총 32개의 패턴 편파 빔을 최적화 기법을 적용하여 얻은 빔패턴들을 도시한 것이다.As shown in FIG. 10, for the P2BDMA performance simulation, AoD for eight beam sectors can be defined as shown in FIG. A total of 32 patterned polarized beams can be transmitted, four in each beam sector. 11 is a diagram illustrating beam patterns obtained by applying a total of 32 patterns of polarized beams reflected by the AoD of the beam sector shown in FIG.

도 12는 가로 8개 안테나 소자를 사용하여 설계된 수평빔들의 패턴들과, 세로 4개 안테나 소자를 사용하여 설계된 수직빔들의 패턴들을 나타낸다.Figure 12 shows patterns of horizontal beams designed using 8 transverse antenna elements and patterns of vertical beams designed using 4 transverse antenna elements.

도 12에 도시된 바와 같이, 수평 빔(Horizontal beam)의 경우 sidelobe level이 -18 dB 내외이고 수직 빔(Vertical beam)의 경우 sidelobe level이 -10 dB 내외임을 알 수 있다.As shown in FIG. 12, it can be seen that the sidelobe level is about -10 dB in the case of the horizontal beam and the sidelobe level is about -10 dB in the case of the vertical beam.

도 13은 기존 BDMA와 P2BDMA 간의 주파수 효율성(spectral efficiency) 비교의 일 예를 나타낸다.FIG. 13 shows an example of a comparison of spectral efficiency between existing BDMA and P2BDMA.

도 13을 참조하면, 수평과 수직 공간의 채널의 확산 각도(angular spread)가 모두 5°이고, 단일 클러스터(single cluster) 안의 광선(ray) 수가 20개인 조건 아래에서 시뮬레이션을 수행하였다. 기존 BDMA 방식과 실시예에 따른 P2BDMA 방식을 각각 적용한 경우에 각 빔섹터에서 SNR에 따라 얻을 수 있는 주파수 효율성(spectral efficiency)은 도 13에 도시된 바와 같을 수 있다.13, the simulation was performed under the condition that the angular spreads of the channels in the horizontal and vertical spaces were all 5 ° and the number of rays in a single cluster was 20. The spectral efficiency that can be obtained according to the SNR in each beam sector when the conventional BDMA scheme and the P2BDMA scheme according to the embodiment are respectively applied may be as shown in FIG.

도 14는 기존 BDMA와 P2BDMA 간의 주파수 효율성(spectral efficiency) 비교의 다른 예를 나타낸다.Figure 14 shows another example of a comparison of spectral efficiency between existing BDMA and P2BDMA.

도 14는 기존 BDMA 방식과 실시예에 따른 P2BDMA 방식을 각각 적용한 경우에 SNR에 따라 전체 8개 빔섹터에서 얻을 수 있는 주파수 효율성(spectral efficiency)의 총합을 산출한 것을 나타낸다. 도 14에 도시된 바와 같이, SNR=20 dB에서 실시예에 따른 P2BDMA 기술이 기존 BDMA 기술 대비 112%의 spectral efficiency 증가를 가져오는 것을 알 수 있다.FIG. 14 shows a result of calculating the sum of spectral efficiencies that can be obtained in all 8 beam sectors according to the SNR when the conventional BDMA scheme and the P2BDMA scheme according to the embodiment are respectively applied. As shown in FIG. 14, at SNR = 20 dB, it can be seen that the P2BDMA technique according to the embodiment leads to a 112% increase in spectral efficiency compared to the existing BDMA technique.

상술한 조건 이외에, 다양한 시뮬레이션 조건에서 실시예에 따른 P2BDMA 기술이 기존 BDMA 기술 대비 얻을 수 있는 성능 개선 정도는 표 1과 같을 수 있다.In addition to the above-described conditions, the degree of performance improvement of the P2BDMA technique according to the embodiment according to various simulation conditions compared to the existing BDMA technology may be as shown in Table 1. [

표 1로부터 아래와 같은 특성이 관찰될 수 있다.From Table 1, the following characteristics can be observed.

1. 도 8에 도시된 편파 안테나를 시뮬레이션한 결과는 기존 BDMA 대비 90 ~ 112 % 이상의 시스템 용량 개선을 얻을 수 있음을 보여준다.1. The simulation result of the polarized antenna shown in FIG. 8 shows that system capacity improvement of 90-112% or more compared to the conventional BDMA can be obtained.

2. BDMA보다 3배 이상의 SE(spectral efficiency)를 얻지 못하는 이유는 beam의 sidelobe 때문으로 판단된다.2. It is considered that the reason why the SE (spectral efficiency) is not 3 times or more than the BDMA is due to the beam sidelobe.

3. High SNR에서 얻을 수 있는 최대 SE는 98 bps/Hz이다. 3. Maximum SE obtained at high SNR is 98 bps / Hz.

4. 광(ray) 수가 클수록 SE가 더 크게 나타난다.4. The larger the number of rays, the larger the SE.

4. 확산 각도(angular spread)는 5°일때 가장 큰 SE를 얻음. 10°일때는 빔섹터 간섭으로 SE가 낮아지고, 1°일때는 광(ray) 채널들 간의 correlation이 증가하기 때문으로 분석된다.4. The largest SE is obtained when the angular spread is 5 °. 10 °, it is analyzed that the SE is lowered due to the beam sector interference, and the correlation between the ray channels at 1 ° is increased.

시뮬레이션을 통한 성능 분석 결과, 일 실시예에 따른 P2BDMA 기술은 기존 BDMA 대비 90 ~ 112 % 이상의 시스템 용량 개선을 얻을 수 있음을 보여준다. As a result of the performance analysis through the simulation, the P2BDMA technology according to the embodiment shows that system capacity improvement of 90-112% or more compared to the existing BDMA can be obtained.

즉, 일 실시예에 따른 P2BDMA 기술은 동일한 안테나 사용 공간을 기준으로 약간의 구현 복잡도(4개 패턴/편파 안테나 집적 때문) 증가를 대가로 주파수 효율성(spectral efficiency) 개선을 달성할 수 있다.That is, the P2BDMA technique according to one embodiment can achieve spectral efficiency improvement in exchange for an increase in some implementation complexity (due to 4 pattern / polarization antenna integration) based on the same antenna usage space.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The apparatus described above may be implemented as a hardware component, a software component, and / or a combination of hardware components and software components. For example, the apparatus and components described in the embodiments may be implemented within a computer system, such as, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable gate array (FPGA) , A programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. The processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software. For ease of understanding, the processing apparatus may be described as being used singly, but those skilled in the art will recognize that the processing apparatus may have a plurality of processing elements and / As shown in FIG. For example, the processing unit may comprise a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as a parallel processor.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of the foregoing, and may be configured to configure the processing device to operate as desired or to process it collectively or collectively Device can be commanded. The software and / or data may be in the form of any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage media, or device , Or may be permanently or temporarily embodied in a transmitted signal wave. The software may be distributed over a networked computer system and stored or executed in a distributed manner. The software and data may be stored on one or more computer readable recording media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The method according to an embodiment may be implemented in the form of a program command that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions to be recorded on the medium may be those specially designed and configured for the embodiments or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI > or equivalents, even if it is replaced or replaced.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims

복수의 패턴/편파 안테나 어레이들을 이용하여 안테나 어레이별로 복수의 빔섹터들 각각에 대응하는 빔을 생성하는 단계; 및
상기 복수의 빔섹터들 각각에 MIMO 전송을 수행하는 단계
를 포함하고,
상기 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들 각각은 수직 편파 성분(vertical polarization component) 및 수평 편파 성분(horizontal polarization component)으로 정의되는 서로 다른 방사 패턴(radiation pattern)을 갖고,
상기 복수의 빔섹터들 각각에 생성된 복수의 빔들의 수는 상기 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들의 수이고,
상기 복수의 빔섹터들 각각에 생성된 복수의 빔들은 안테나 어레이 인덱스에 관계없이 근사적으로 동일한 발사각(Angle of Departure)을 갖는 패턴/편파 빔 분할 다중 접속 방법.
Generating a beam corresponding to each of a plurality of beam sectors for each antenna array using a plurality of pattern / polarized antenna arrays; And
Performing MIMO transmission on each of the plurality of beam sectors
Lt; / RTI >
Each of the plurality of pattern / polarized antenna arrays has a different radiation pattern defined by a vertical polarization component and a horizontal polarization component,
Wherein the number of beams generated in each of the plurality of beam sectors is a number of the plurality of pattern /
Wherein the plurality of beams generated in each of the plurality of beam sectors have approximately the same angle of departure regardless of the antenna array index.

제1항에 있어서,
상기 수행하는 단계는,
상기 복수의 빔섹터들 각각에 송신할 신호들을 프리코딩하는 단계;
프리코딩된 신호들 각각을 상기 프리코딩된 신호들 각각에 대한 가중치에 기초하여 빔포밍하는 단계; 및
빔포밍된 신호들을 상기 복수의 안테나 어레이들 각각을 이용하여 송신하는 단계
를 포함하는 패턴/편파 빔 분할 다중 접속 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the performing comprises:
Precoding signals to be transmitted to each of the plurality of beam sectors;
Beamforming each of the precoded signals based on a weight for each of the precoded signals; And
Transmitting beamformed signals using each of the plurality of antenna arrays;
/ RTI > The method of claim < RTI ID = 0.0 > 1, < / RTI &

제2항에 있어서,
상기 가중치는 하기 수학식에 기초하여 결정되는 패턴/편파 빔 분할 다중 접속 방법.
[수학식]

여기서

은 k번째 프리코딩된 신호에 대한 가중치를 의미하고,

은 상기 k번째 프리코딩된 신호가 송신되는 빔섹터에 대한 가중치를 의미하고,

는 각 요소가 0 또는 0에 가까운 값을 갖는 N_Tx 1 벡터를 의미하고, 상기 N_T는 안테나 소자의 개수를 의미함.
3. The method of claim 2,
Wherein the weight is determined based on the following equation.
[Mathematical Expression]

here

Denotes a weight for the k-th precoded signal,

Denotes a weight for a beam sector to which the k-th precoded signal is transmitted,

Denotes an N _T x 1 vector in which each element has a value close to 0 or 0, and N _T denotes the number of antenna elements.

제1항에 있어서,
상기 복수의 안테나 어레이들은 중첩(overlapping) 구조로 구현되는 패턴/편파 빔 분할 다중 접속 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of antenna arrays are implemented in an overlapping structure.

삭제delete

각각이 수직 편파 성분(vertical polarization component) 및 수평 편파 성분(horizontal polarization component)으로 정의되는 서로 다른 방사 패턴(radiation pattern)을 갖는 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들; 및
상기 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들을 이용하여 안테나 어레이별로 복수의 빔섹터들 각각에 대응하는 빔을 생성하고, 상기 복수의 빔섹터들 각각에 MIMO 전송을 수행하는 컨트롤러
를 포함하고,
상기 복수의 빔섹터들 각각에 생성된 복수의 빔들의 수는 상기 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들의 수이고,
상기 복수의 빔섹터들 각각에 생성된 복수의 빔들은 안테나 어레이들의 인덱스에 관계없이 근사적으로 동일한 발사각(Angle of Departure)을 갖는
통신 장치.
A plurality of pattern / polarized antenna arrays each having a different radiation pattern defined by a vertical polarization component and a horizontal polarization component; And
A controller for generating a beam corresponding to each of a plurality of beam sectors for each antenna array using the plurality of pattern / polarized antenna arrays, and for performing MIMO transmission on each of the plurality of beam sectors,
Lt; / RTI >
Wherein the number of beams generated in each of the plurality of beam sectors is a number of the plurality of pattern /
The plurality of beams generated in each of the plurality of beam sectors have substantially the same angle of departure regardless of the indexes of the antenna arrays
Communication device.

제6항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
상기 복수의 빔섹터들 각각에 송신할 신호들을 프리코딩하는 프리코더; 및
프리코딩된 신호들 각각을 상기 프리코딩된 신호들 각각에 대한 가중치에 기초하여 빔포밍하는 빔포머
를 포함하는 통신 장치.
The method according to claim 6,
The controller comprising:
A precoder for precoding signals to be transmitted to each of the plurality of beam sectors; And
A beamformer for beamforming each of the precoded signals based on a weight for each of the precoded signals;
.

제7항에 있어서,
상기 가중치는 하기 수학식에 기초하여 결정되는 통신 장치.
[수학식]

여기서

은 k번째 프리코딩된 신호에 대한 가중치를 의미하고,

는 각 요소가 0 또는 0에 가까운 값을 갖는 N_Tx 1 벡터를 의미하고, 상기 N_T는 안테나 소자의 개수를 의미함.
8. The method of claim 7,
Wherein the weight is determined based on the following equation.
[Mathematical Expression]

here

Denotes a weight for the k-th precoded signal,

제6항에 있어서,
상기 복수의 안테나 어레이들은 중첩(overlapping) 구조로 구현되는 통신 장치.
The method according to claim 6,
Wherein the plurality of antenna arrays are implemented in an overlapping structure.

삭제delete

제7항에 있어서,
상기 프리코더는 빔섹터별로 구현되는 통신 장치.8. The method of claim 7,
Wherein the precoder is implemented for each beam sector.